อะตอม คือ?

อะตอม (Atom) คือ หน่วยพื้นฐานของสสาร ดิโมคริตุส และลูซิพปุส นักปราชญ์ชาวกรีกเชื่อว่าถ้าแบ่งสารให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ในที่สุดจะได้หน่วยย่อย ซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงได้อีก และเรียกหน่วยย่อยนี้ว่า อะตอม อะตอม (Atom) คือ หน่วยพื้นฐานของสสาร 

ภาพจำลองอะตอมของทองคำที่สร้างขึ้นจากเครื่องมือ atomic force microscope (AFM)

แบบจำลองอะตอม คือ มโนภาพที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นเพื่ออธิบายลักษณะของอะตอม ที่ได้จากการแปลข้อมูลที่ได้จากการทดลอง และนำมาสร้างเป็นมโนภาพหรือแบบจำลอง

ทฤษฎีอะตอมของ ดอลตัน 1.ธาตุ ประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้ 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่มีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น 3. สารประกอบ เกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน มีลักษณะเป็นทรงกลมทึบตัน แบบจำลองอะตอมของดอลตัน มีลักษณะเป็นทรงกลมทึบตัน

สรุปการทดลองของออยเกน โกลด์ชไตน์ 1. พบอนุภาคที่มีประจุบวก 2. ประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุ/มวลไม่คงที่ ขึ้นกับชนิดของแก๊สที่บรรจุในหลอดรังสีแคโทด 3. เรียกประจุบวกนี้ว่า โปรตอน

การทดลองของทอมสัน

การทดสอบสมบัติของรังสีแคโทด

สรุปการทดลองของทอมสัน 1. รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ 2. หาอัตราส่วนประจุ/มวล ได้ค่าคงที่เท่ากับ 1.76 X 108 คูลอมบ์ต่อกรัม 3. อะตอมทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ เรียกอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน อะตอมเป็นรูปทรงกลม ประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ

การหามวลของอิเล็คตรอน ปี 2451 รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน หาค่าประจุของอิเล็คตรอนได้เท่ากับ 1.60 x 10 -19 คูลอมบ์ นำไปแทนค่าใน e/m = 1.76 X 108 คูลอมบ์ต่อกรัม หามวลของอิเล็คตรอนได้เท่ากับ 9.11 x 10 -28 กรัม

ในปี พ.ศ. 2453 เซอร์ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด  (Sir Ernest Rutherford)  ได้ศึกษาแบบจำลองอะตอมของทอมสัน  และเกิดความสงสัยว่าอะตอมจะมีโครงสร้างตามแบบจำลองของทอมสันจริงหรือไม่  โดยตั้งสมมติฐานว่า “ถ้าอะตอมมีโครงสร้างตามแบบจำลองของทอมสันจริง  ดังนั้นเมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกเข้าไปในอะตอมแอลฟาทุกอนุภาคจะทะลุผ่านเป็นเส้นตรงทั้งหมดเนื่องจากอะตอมมีความหนาแน่นสม่ำเสมอเหมือนกันหมดทั้งอะตอม”

เพื่อพิสูจน์สมมติฐานนี้  รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ โดยมีความหนาไม่เกิน 10–4 cm  โดยมีฉากสารเรืองแสงรองรับ

ปรากฏผลการทดลองดังนี้ 1.  อนุภาคส่วนมากเคลื่อนที่ทะลุผ่านแผ่นทองคำเป็นเส้นตรง 2.  อนุภาคส่วนน้อยเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรง 3.  อนุภาคส่วนน้อยมากสะท้อนกลับมาด้านหน้าของแผ่นทองคำ

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด  แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด “อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง  นิวเคลียสมีขนาดเล็กแต่มีมวลมาก  และมีประจุบวก  ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลน้อยมากวิ่งอยู่รอบ ๆนิวเคลียส”

การอธิบายโครงสร้างอะตอมด้วยแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองอะตอมของโบร์ นีลย์ โบร์ ได้สร้างแบบจำลองอะตอมใหม่  ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด   แต่แตกต่างกันเรื่องการจัดเรียงอิเล็กตรอน  ดังนั้นอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบๆ นิวเคลียสเป็นชั้น ๆ ตามระดับพลังงาน     ฉะนั้นแบบจำลองอะตอมของโบร์ จึงคล้ายกับวงจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์  และเรียกระดับพลังงานที่ใกล้นิวเคลียสที่มีพลังงานต่ำที่สุดนี้ว่าชั้น K และชั้นถัดๆ    ไปเป็น L และ M ตามลำดับ ดังรูป

ภาพแบบจำลองอะตอมของโบร์

แบบจำลองอะตอมกลุ่มหมอก แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดี  แต่ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้  จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติมทางกลศาสตร์ควอนตัม      แล้วสร้างสมการสำหรับใช้คำนวณ โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ ขึ้นมา จนได้แบบจำลองใหม่ ที่เรียกว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก               

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็ว ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่าง ๆ ปรากฏการณ์แบบนี้เรียกว่ากลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่นจะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจาง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือรูปอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนทุกระดับพลังงานจะเป็นรูปดังภาพ

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

สรุปแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก 1.อิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่แน่นอน  บางครั้งเข้าใกล้บางครั้งออกห่าง จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอน ได้ แต่ถ้าบอกได้แต่เพียง  ที่พบอิเล็กตรอนตำแหน่งต่างๆภายในอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากจนเหมือนกับอิเล็กตรอนอยู่ทั่วไปในอะตอมลักษณะนี้เรียกว่า "กลุ่มหมอก"      2.กลุ่มหมอกองอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆจะมีรูปทรงต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน และระดับพลังงานอิเล็กตรอน       3.กลุ่มหมอกที่มีอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียสส่วนอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส  4.อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานใดพลังงานหนึ่งคงที่       5.อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดับพลังงาน

อนุภาคมูลฐานในอะตอม คือ  โปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอน  โดยมีโปรตอนกับนิวตรอนอยู่ภายในนิวเคลียส  และมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบๆ นิวเคลียสด้วยความเร็วสูง  คล้ายกับมีกลุ่มประจุลบปกคลุมอยู่โดยรอบ

การค้นพบนิวตรอน เซอร์เจมส์ แชดวิก ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังโลหะชนิดต่างๆ พบว่ามีอนุภาคซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้า มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน อยู่รวมกับโปรตอนในนิวเคลียส เรียกชื่อว่า อนุภาคนิวตรอน

อนุภาคมูลฐานในอะตอม อนุภาค ประจุ(หน่วย) ประจุ(C) มวล(g) มวล(amu) อิเล็กตรอน -1 1.6 x 10-19 0.000549 9.1096 x 10-28 โปรตรอน +1 1.007277 1.6726 x 10-24 นิวตรอน 1.008665 1.6749 x 10-24

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (Nuclear Symbol,X) คือสัญลักษณ์ของธาตุที่แสดงอนุภาคมูลฐานของอะตอม    ซึ่งจะเขียนเลขอะตอมแทน จำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอน ไว้ที่มุมซ้ายล่างของสัญลักษณ์ และเขียนเลขมวลไว้ที่มุมซ้ายบนของสัญลักษณ์ ดังนี้

เลขอะตอม (Atomic number : Z) เป็นค่าเฉพาะของธาตุแต่ละชนิดแสดงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส 1 อะตอมของธาตุนั้น ซึ่งอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันต้องมีจำนวนโปรตอนเท่ากันเสมอ เลขอะตอม (Z) = จำนวนโปรตอน (p)

เลขมวล(A) = จำนวนโปรตอน (p) + จำนวนนิวตรอน (n) เลขมวล (Mass number, A)  เป็นตัวเลขแสดงผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนของธาตุ   ถ้าทราบเลขอะตอมจะสามารถหาจำนวนนิวตรอนของอะตอมได้โดยนำเลขอะตอมไปลบเลขมวล เลขมวล(A) = จำนวนโปรตอน (p) + จำนวนนิวตรอน (n)

ตัวอย่างสัญลักษณ์นิวเคลียร์ของธาตุ   สัญลักษณ์นิวเคลียร์ธาตุออกซิเจน (O) เลขมวล=16 เลขอะตอม= 8 สัญลักษณ์นิวเคลียร์ธาตุนีออน (Ne) เลขมวล=20 เลขอะตอม=10

การคำนวณอนุภาคมูลฐานของอะตอมจากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ อะตอมของธาตุเป็นกลางทางไฟฟ้า คือ อะตอมของธาตุจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน  เช่น                                                                  

จงหาจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอมธาตุต่อไปนี้ จากสัญลักษณ์นิวเคลียร์

1 การหาอนุภาคมูลฐานของอะตอมจากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ 201             Hg 80 สรุปได้ว่า อะตอมของธาตุปรอท (Hg)        มีจำนวนโปรตอน = 80 อนุภาค            อิเล็กตรอน = 80 อนุภาค            และนิวตรอน = 201 - 80 = 121 อนุภาค

2 การหาอนุภาคมูลฐานของอะตอมจากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ 40 Ca2+ 20 มีจำนวนโปรตอน = 20 อนุภาค           แคลเซียม +2 หมายถึง มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าโปรตอน 2 อนุภาค            อิเล็กตรอน = 20 - 2 = 18 อนุภาค            และนิวตรอน = 40 - 20 = 20 อนุภาค

3 การหาอนุภาคมูลฐานของอะตอมจากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ 16 O 2- 8

กำหนดโครงสร้างอะตอมของธาตุฟอสฟอรัสให้ดังนี้ สัญลักษณ์นิวเคลียร์คือข้อใด p = 15 n = 16 ก. 1615P ข. 1516P ง. 3116P ค. 3115P

จากสัญลักษณ์นิวเคลียร์ 3216S2- จงพิจารณาว่าข้อใดถูกต้อง ก. มี 18 อิเล็กตรอน ข. มี 16อิเล็กตรอน ค. มี 32 อิเล็กตรอน ง. มี 14 โปรตอน

ข. ธาตุ B มีเลขมวล 236 เลขอะตอม 142 ค. ธาตุ A มีเลขมวล 238 30 ธาตุ A มีโปรตอน 90 นิวตรอน 148 ธาตุ B มีโปรตอน 94 นิวตรอน 142 ข้อใดถูกต้อง ก. ธาตุ A มีเลขมวล 148 เลขอะตอม 90 ข. ธาตุ B มีเลขมวล 236 เลขอะตอม 142 ค. ธาตุ A มีเลขมวล 238 เลขอะตอม 58 ง. ธาตุ B มีเลขมวล 236 เลขอะตอม 94

ไอโซโทป (Isotope) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีเลขมวลต่างกัน (มีจำนวนอนุภาคนิวตรอนต่างกัน)

ตัวอย่างไอโซโทป คาร์บอนมี 3 ไอโซโทปคือ 126C 136C 146C ฟอสฟอรัส 3115P 3215P

ก. เลขอะตอม ข. จำนวนอิเล็กตรอน ง. จำนวนนิวตรอน 5 ธาตุ 2 ธาตุเป็นไอโซโทปซึ่งกันและกัน มีสิ่งใดที่ต่างกัน ก. เลขอะตอม ข. จำนวนอิเล็กตรอน ค. จำนวนระดับพลังงาน ง. จำนวนนิวตรอน

ธาตุ X และ Y เป็นธาตุไอโซโทปกัน 60 ธาตุ X และ Y เป็นธาตุไอโซโทปกัน ธาตุ X มีจำนวนโปรตอนเท่ากับ 10 และมีเลขมวลเท่ากับ 20 ธาตุ Y มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าธาตุ X อยู่ 2 นิวตรอน ข้อใดเป็นสัญลักษณ์นิวเคลียร์ของธาตุ Y ก. 2012Y ข. 2210Y ค. 128Y ง. 1210Y

อะตอมของธาตุใดไม่มีนิวตรอน 5 อะตอมของธาตุใดไม่มีนิวตรอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน อะลูมิเนียม

ไอโซบาร์ (Isobar) ไอโซบาร์ (Isobar) หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากันแต่มีมวลอะตอมและจำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน เช่น 3015P กับ 3014Si มีเลขมวลเท่ากันคือ 30 ธาตุ A Z n 3015P 3014Si 30 15 14 16

ไอโซโทน (Isotone) ไอโซโทน (Isotone) หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน แต่มีเลขมวลและเลขอะตอมไม่เท่ากัน เช่น 188O 199F เป็นไอโซโทนกัน มีนิวตรอนเท่ากันคือ n = 10 ธาตุ A Z n 188O 199F 18 19 8 9 10